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在含杂质污染的润滑条件下评估轴承性能的实验和分析方法

2009-09-23

　　来源：铁姆肯公司
　　摘要：润滑剂中的杂质污染是轴承和齿轮过早失效的主要原因，并由此导致设备停机修理、担保索赔和生产损失费用的增加。为了帮助设计工程师们分析和开发出对这类污染较为不敏感的设备，己经建立了各种不同的实验和预测的方法。
　　本文提供了润滑剂中杂质污染的一个概述。本文还提供了关于不同圆锥滚子轴承在杂质污染的操作条件下寿命试验结果和预测分析方法比较的Z新数据。作为基准，对在这些领域先前所做的研究作了概要的总结并已被引用。近来的研究改进了那种分析方法（使用一种表面特征方法），使得这种方法与杂质条件下轴承试验寿命相关联，并指出要如何对轴承本身进行设计和制造改良。这在设计中已产生了效果，使杂质污染环境下的轴承寿命得到了改善。
　　前言：关于杂质污染对轴承性能的主要有害影响，已经发表了众多文献［8，11］，而对于可使轴承性能Z佳化的制造工艺、材料及其冶炼方法，也已提出了许多理论。本文将不同轴承产品的某些实验性能结果与用作预测和评估这一性能的分析方法做出切实的比较，并对当前关于杂质污染对轴承寿命的影响量化方法进行了初步陈述。
　　这些方法中大多数都基于确定润滑剂中的杂质含量的技术，而非滚动接触表面所承受的损害程度。其推理在于：当知道了润滑剂系统的污染含量时，就可了解到对系统部件的损害等级。根据现场试验，已得出部分结果，将润滑剂分析方法直接与寿命预测相联系。因此，一种采用直接的、表面特征的新的寿命预测模型也被提出，并讨论了它与寿命试验结果的关系。该模型是先前的方法［12，13］的延伸，它将应力为基础的分析方法与杂质压痕表面制图方法联系起来，目的在于更加精确地获取在特定杂质环境中出现的实际的杂质损害。
　　污染特征
　　当前，设备设计工程师们有许多污染润滑剂分析工具，这可帮助他们评估杂质对机械磨损的有害影响。这些工具采用多种方法， 包括铁粉记录仪方法［1］、重力过滤方法［2］、原子吸收光谱仪［3］、和SEM（EDAX）光谱分析法，来监控性能的总体损失和分析磨损颗粒和污染。这些方法的目的都在于了解材料的成分和润滑剂污染的特性。
　　另外，颗粒尺寸和计量技术都可用于确定颗粒尺寸分布及其浓度等级。这些技术应用手动的显微镜方法与可用于自动直接计量的光散射法［5］，这里提到的大多数分析手段都可用于监控，并了解设备失效的演变进程以及润滑剂污染的等级，以便进行预测和预防维护。
　　ISO  4406  额定值方法通常用于确定污染等级。许多工程师采用这一额定值方法，并将它与性能预测直接联系起来。虽然上述技术和方法帮助了解磨损机理和磨损速率，但他们不能有效帮助评估杂质损害对成品齿轮和轴承表面的影响，这些影响涉及到材料的疲劳寿命。
　　表面特征方法
　　为了评定被杂质污染的润滑环境对表面的有害影响，已经开发了一种使用表面损害特征的直接方法。Nixon 和 Cogdel  在资料［6］中描述了这一方法。它提供了一种确定污染影响的实际可行的方法，并命名为“杂质特征分析”。
　　污染润滑剂的分析
　　以下实地研究就是这种分析方法优势的一种实例，即这种表面特征方法可以使用于评估设备系统。与设备制造厂合作，将其装置配合样品润滑系统一起进行一段时间的现场试验。
　　确定颗粒尺寸分布和浓度等级用的标准方法，可在实际的用户应用领域中，用于监控其污染等级。在长期使用后，轴承从这些现场装置中拆卸下来。采用外观检查和表面特征方法，其轴承表面被杂质损害的情况随即能被检验出来，其损害等级也可量化。表 1显示了在使用中产生的典型的颗粒尺寸分布以及浓度。图1显示了使用了相同一段时间后的轴承受力表面的典型特征。


图 1：带凹痕的典型轴承受载荷表面显微组织图

　　表 1 
　　单独的外观比较显示：润滑剂分析并未说明预期的表面损害的等级。通过将表1中的数据与观测到的损坏情况进行比较，润滑剂样品很显然未预测到尺寸比300ｕm大得多的任何颗粒。但是，某些压痕直径接近于6mm  的外观比较显示了大颗粒杂质的存在，这些颗粒的尺寸比润滑剂样品中300ｕm颗粒的尺寸大约大100倍。这一杂质印记分析方法，即由文献资料［6］提及的详细方法，可应用于更加精确地描述其表面损害。该直接的表面分析方法指出：预测的寿命降低率为42％，而润滑剂分析结果并未显示出任何重大的有害影响。另外，表面分析结果与实际的现场性能更加相配。该实例说明了在将性能与污染损害相关联时，表面特征分析很必要。可以得出这样的结论：至少对于严重污染的系统，单一的润滑剂分析，就轴承损害与Z终的现场使用关系而言，它不是一种可靠的方法。
　　产品性能比较
　　作为评定和预测轴承在杂质污染的条件下性能的评估过程的一部分，进行了许多轴承寿命试验。为了对这些试验进行比较，采用了标准化方法进行杂质损害［7］。被试验的轴承要经过预先压痕处理，在试验过程中不再添加杂质。在图2中，显示了五家主要的圆锥滚子轴承制造厂的产品性能比较。该项试验曾在文献资料［11］中有过报导，并在被认为是标准的产品上进行了试验，对于给定的每一家制造厂，产品的制造都采用通用的常规制造工艺。该组内试验结果的变化系数为 3，轴承A具有相对Z高的性能。轴承B 和 E  采用了全淬透材料和工艺。轴承 A，C  和D是部分或全部由表面渗碳的部件所制成。

图 2：取自不同制造厂的5 种通用工艺轴承的寿命试验比较，轴承外径为73 mm
  　　65% 置信带
　　为了达到统计比较的目的，寿命试验结果以65%置信带方式表示。置信带的宽度的计算是以样品尺寸和试验失效的散布情况为基础的，而且它是威波尔斜率的函数。当这些带宽在试验组之间有重叠时，在90%可信度时，从统计学上说，不可能提出性能上重要的差别。
　　常规轴承对比由不同的制造厂制作的特殊的抗杂质轴承的杂质试验
　　对于特殊的轴承产品（图3、4和5）也进行了可比性的杂质损害试验。该寿命试验是将来自一家制造厂的常规的产品（轴承A）与来自两家或多家其它制造厂的特殊的抗杂质特产品进行了对比。在此，特殊的抗杂质的产品，其改良后的寿命达到常规加工的产品的10倍。进行了3种单独的试验（图3为试验1，图4 为试验2，图 5 为试验3）。在这些单独试验之间，其试验条件和轴承都是不同的。

图 3：常规制造工艺轴承与另一家制造商的特殊的”抗杂质”轴承的寿命试验比较，轴承外径为83 mm。
　　　图3表示杂质损害试验的标准化结果，其试验条件与图2中试验的条件完全相同。这些结果在先前的文献资料［7］中曾作过报导。这表明：来自一家制造厂的常规加工工艺的轴承A，其寿命试验结果略高于来自另一家制造厂的特殊的抗杂质加工工艺的寿命试验结果。
 
图 4：取自其它制造厂的、常规制造工艺轴承与特殊的”抗杂质”轴承的寿命试验比较，轴承外径为68 mm。
　　图4表示杂质损害试验的标准寿命试验结果，除了试验介质改变外，其它试验条件与图2中试验条件相似。这一试验仅产生了轻微的杂质损害。杂质特征分析应用于常规的轴承A，且仅用于预测因杂质而产生的、Z低寿命降低。在这些条件下，来自一家制造厂的、釆用常规加工工艺的轴承A，其性能结果相等于来自另一家制造厂的、特殊的抗杂质加工工艺轴承的性能。

图 5：取自其它制造厂的、常规制造工艺轴承与特殊的“抗杂质” 轴承的寿命试验比较，轴承外径为318 mm。
　　应用了一组不同的寿命试验条件，还应用了一种新的杂质介质和新的方法。这些变化的产生，其部分原因是由于采用了较大的试验轴承，并导致中等至严重的杂质损害。杂质特征分析应用于常规的轴承A，并预测到寿命降低率为3倍。在这些条件下，轴承A的寿命试验结果大大地超过了另外一家制造厂的、特殊的抗杂质工艺的试验结果。从此试验中得出的一个结论是：在由不同制造厂制成的轴承中所使用的制造工艺、材料和冶炼方法上的差别影响着在高杂质环境中运行的轴承疲劳寿命。
　　在杂质试验中提升性能等级
　　依靠研究其独特的、专供生产轴承A所使用的冶炼设计和加工参数的办法，开发出了改良型的抗杂质方法。其目的在于提高轴承的强度、延展性和韧性的机械性能，特别是在功能性接触（座圈）表面的机械性能。该方法涉及到对主要设计规范的改变，紧密控制工艺控制极限值，特别是在热处理期间。Z终根据统计数据显示出了性能上的显著提高，正如图6所示。专有的技术规范包括选择各项参数，这涉及到材料化学、残留粤氏体，微观组织，近表面性能的后热处理控制。这一新的抗杂质设计和加工方法的试验性能结果显示于图6中。所示的寿命试验是在外径为中等尺寸248 mm的轴承上进行的，对于该轴承，大量的试验经验在先前已经积累了。
　　在这一特定的试验方案中，两组具有杂质压痕的常规轴承的寿命比不带压痕的轴承的预测寿命小2 至3 倍。采用的是杂质印记分析方法，并预测这些基本轴承的杂质寿命降低率在o.4~0.5 之间。预测的结果值表示在图6中。


图 6：一家制造厂的 ”抗杂质”轴承与常规的、基本的加工工艺轴承的寿命试验比较，轴承外径为248 mm。
　　抗杂质的轴承所显示的性能远高于基本组别的轴承性能，对于不带有杂质损害的预测的寿命而言，65%置信带的上半部分与在没有杂质环境下的轴承预测寿命线相交。因此，对于给定的试验严格性，新的抗杂质的轴承降低了杂质的影响，并将轴承的总体平均寿命比由常规加工工艺制作的两组基本轴承的寿命提高了2.3 倍。该抗杂质的轴承目前在杂质环境中的寿命提高了2 倍。
　　寿命预测模型
　　杂质寿命预测手段的理论基础由Ai在［12］中陈述，在此文献中确定了杂质压痕对轴承滚道接触应力和疲劳寿命的影响。采用以轴承A为代表的、性能特征的轴承，以可控的杂质压痕轴承试验的方法，对该模型进行了验证。由于在实际使用中，杂质的颗粒尺寸范围很大，为了确定含有真实颗粒尺寸分布的润滑剂污染的影响，巳经建立了一个程序。采用了两种方法。种方法模拟颗粒尺寸的杂质分布，它相当于ISO 4406 规范中的颗粒尺寸分布。
　　正如作者 N i x o n 在文献［ 7 ］中所解释的那样， ISO13/10、ISO15/12、ISO17/14、ISO18/16和ISO21/18的52100钢材杂质颗粒分布与润滑剂混合在一起后，就可供压痕轴承使用。举例说，图7表示：其颗粒分布用于ISO4406 21/18和15/12清洁度等级。
　　这些分布是从分析以及杂质污染了的、使用过的润滑油的ISO4406特征中形成的。为了获取压痕的尺寸及其表面密度，可将其光学映像，因而，为每一种压痕状态得到了杂质特征分析外形图。包括压痕尺寸和表面密度在内的数据文件资料妥善进行保存，以供应用工程师们对这些环境中通常使用的轴承进行寿命分析。

图 7 两种特殊的ISO规范的颗粒尺寸的分布

第2种方法是从现场实际使用中获取轴承，并通过光学映像来描述这些轴承上压痕的尺寸和表面密图度，以供今后寿命分析之用。通常，这些轴承尺寸较大，在比较严重污染的条件下运行，这些轴承尚不能以ISO4406的规范加以十分透彻地描述。这些具有压痕表面的照片，可供工程师们用于选择轴承滚圈表面损害（这种损害通常在他们的实际应用中就可找到）的等级。在标准的寿命试验机上进行的、典型的寿命试验润滑剂的分析表明：其基本的清洁度等级为ISO 15/12 。对于这一清浩度等级，其杂质寿命系数为1.0。更加清洁的润滑剂会提供更长的寿命，但带有更多杂质的润滑剂，则会降低其寿命。为了确定寿命降低系数（寿命降低率），可以以下方式使用压痕杂质印记分析数据文件。对于各种应用状态下的滚动元件的接触载荷首先要加以确定，以便再确定其接触应力和接触面积。然后，就可确定压痕的尺寸和数量在该环境中对轴承寿命的影响。  图8 表示了关于一个孔径为33mm的圆锥滚子轴承的杂质寿命系数（a3D）的一张图表，可供不同的润滑剂清洁度等级使用，径向载荷以 C%(90) 额定值表示。在重载条件下，杂质等级改变后的影响会被降低，因为，当与轻载荷条件下对改进总体应力水平的较大的影响相比，其对总体应力水平的基本影响会降低。图2表明：由全淬透钢制成的轴承与由渗碳钢制 成的轴承相比，前者对杂质压痕更为敏感。图6 表明：表面渗碳的轴承甚至更抗杂质。图9表明：对于中等污染的环境，由这些材料制成的轴承与表面渗碳的轴承相比，在典型的杂质寿命系数方面存在着差异。由全淬透的钢材制成的轴承，其寿命比表面渗碳轴承的寿命稍低一些。可以预期的是：抗杂质轴承的微观组织对于在更加污染的环境中轴承寿命的改进更为有效。

图 8：杂质寿命调节 VS 载荷和不同的 ISO 规范

图 9：各种轴承材料的相对的杂质寿命系数
相当数量的杂质压痕轴承已在作者推荐的寿命试验机上进行了寿命试验。图10［15］表示了由杂质压痕引发的、以实验方法确定的寿命降低系数与本方法预测的寿命降低系数之间的关系。对于作者推荐的轴承产品，本模型提供了实际的杂质压痕和其后的疲劳损坏之间的切实可行的联系。
  
图 10：实验结果值与模型预测值的比较
　　结论
　　通过本次实验性的试验和分析实践，可以得出以下的结论和观察结果：
　　（1）对于严重污染的系统，单一的润滑剂分析方法不可能是一种可将轴承损害与Z终的现场使用联系起来的可靠的方法。
　　（2）用以评估杂质损害敏感度的轴承疲劳寿命试验可以作为一种有用的手段，以区分不同产品的性能等级。
　　（3）标准化的杂质寿命试验表明：来自不同制造厂的、常规的和抗杂质的轴承在等级上表现出很大的差别。在进行有关相对的产品体系中杂质耐受度对比时，以及在应用性能预测工具时，上述提及的差别都应加以考虑。
　　（4）包含在杂质印记分析中的损害的直接测定方法被期待在损伤差异的定量分析上比包括润滑污染分析的其他方法提供更高的精确。
　　（5）杂质印记分析为设备在污染环境中成功和不成功的运行性能的比较提供了一种手段。
　　（6）新的寿命预测模型在实际的杂质压痕和其后的疲劳损坏之间提供了切实可行的联系。
　　致谢
　　全体作者向铁姆肯公司允许发表本结果表示衷心感谢！
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